ГЕНЕТИКА, 2014, том 50, № 9, с. 1050-1058
ГЕНЕТИКА РАСТЕНИЙ =
УДК 575.832:582.688
ГЕНЕТИЧЕСКАЯ И ФЕНОТИПИЧЕСКАЯ ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ ПРИТОБОЛЬСКИХ И ЕВРОПЕЙСКИХ ПОПУЛЯЦИЙ Calluna vulgaris (L.) Hull.
© 2014 г. С. Н. Санников1, И. В. Петрова1, О. С. Дымшакова2, О. Е. Черепанова1
1 Ботанический сад Уральского отделения Российской академии наук, Екатеринбург 620144
e-mail: irina.petrova@botgard.uran.ru 2Институт экологии растений и животных Уральского отделения Российской академии наук, Екатеринбург 620144 Поступила в редакцию 14.02.2014 г.
Проведен анализ географической изменчивости и дифференциации гаплотипов хлоропластных ДНК и морфо-анатомических параметров листьев нескольких восточно-европейских групп популяций Calluna vulgaris (L.) Hull., с одной стороны, и длительно изолированной от них притобольской группы популяций этого вида в Западной Сибири, с другой. Выявлены резко выраженные генетические и фенотипические дистанции и их градиенты между притобольской и европейскими группами популяций, которые многократно выше, чем между относительно однородными восточно-европейскими группами популяций. В целом подтверждена гипотеза о феногенетической дивергенции притобольских маргинальных популяций C. vulgaris от европейских, вероятно на уровне подвида.
DOI: 10.7868/S0016675814090124
Изучение внутривидовой генетической и фе-нотипической дивергенции природных популяций растений в маргинальных островных и в популяциях центральной части ареала, а также ее роли в микроэволюции — одна из ключевых проблем общей биологии [1—4]. Гипотеза Э. Майра о гомозиготизации и обеднении генетического пула мелких изолированных популяций подтверждена лишь в лабораторных экспериментах с видами Drosophila. Результаты ее проверки в природных поселениях животных и растений противоречивы [5—7].
Весьма интересный объект для экогеногеогра-фического изучения роли долговременной изоляции в микроэволюционной дифференциации растений представляет собой группа маргинальных восточных изолированных популяций вереска обыкновенного (Calluna vulgaris (L.) Hull.), расположенная в Притоболье, на юго-западе Западной Сибири. Хребтами и предгорьями Урала она отделена от основной европейской части ареала этого вида расстоянием свыше 500 км [8, 9]. Островные поселения вереска, тесно ассоциированные с сосновыми лесами на песчаных надпойменных террасах рек, встречаются здесь на территории, простирающейся на 550 км с севера на юг — от бассейна р. Конды в подзоне средней тайги до г. Кургана в северной лесостепи. Палеоэкогеогра-фический анализ истории формирования ареала притобольских популяций C. vulgaris [10] позволяет предположить, что их изоляция от европей-
ских поселений произошла, вероятно, в плейстоцене.
Ареал и экоареал С. vulgaris, его морфологические и аутэкологические особенности, семенная репродукция и возобновление, геногеографиче-ская изменчивость и дифференциация популяций в Европе ранее были широко исследованы [11-22].
В итоге изучения С. vulgaris в географически замещающих типах сосновых лесов Притоболья и Русской равнины выявлены ценоэкологические особенности его ареала [9]. В частности, установлено абсолютное отсутствие вереска на "мокрых" торфяных почвах олиготрофных болот в Притоболье и в целом в Западной Сибири, в отличие от Центральной и Западной Европы, где он почти повсюду встречается на болотах [14, 15, 23, 24], а иногда, например в Украинских Карпатах, и доминирует на них. Выявлены различия параметров морфоструктуры, роста и конкурентных отношений притобольских и европейских популяций вереска с древостоем-эдификатором Pinus sylvestris L. [25]. Учитывая резко выраженную дистанционную изоляцию и специфичные почвенно-клима-тические условия филогеографических регионов формирования этих групп популяций, была выдвинута гипотеза об их генетической дивергенции [9], в первом приближении подтвержденная различиями гаплотипов их хлоропластной ДНК [26].
10° 20° 30° 40° 50° 60° 70° 80°
60°
50°
Рис. 1. Размещение популяционных выборок и гаплотипов хлоропластной ДНК C. vulgaris L в Восточной Европе и Притоболье. Гаплотипы: 1 — А, 2 — F, 3 — G, 4 — единичные местонахождения C. vulgaris. Границы: 5 — сплошного ареала C. vulgaris, 6 — покровного оледенения (в днепровскую фазу), 7 — перигляциальной зоны, 8 — акчагыльского бассейна Паратетиса.
Цель настоящей статьи — анализ результатов более масштабного сравнительного геногеогра-фического изучения изменчивости хлоропластной ДНК, а также степени генетической и фено-типической дифференциации притобольских и европейских популяций Calluna vulgaris (L.) Hull. с целью проверки гипотезы их микроэволюционной дивергенции.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Сравнительный анализ изменчивости хлоропластной ДНК (хпДНК) C. vulgaris проведен между притобольской группой (выборки: Тавда, Заво-доуспенское, Курган) и тремя восточно-европейскими филогеографическими группами популяций (удаленных не менее чем на 200 км друг от друга) (рис. 1): 1) "северо-западной" (Мурманск, Архан-
Таблица 1. Гаплотипы C. vulgaris, определенные рестрикцией хлоропластной ДНК
Гаплотип CS/AluI бэнд I, 307 пн FV/HaeIII бэнд I, 1354 пн K1K2/Taq I бэнд I, 330 пн K1K2/Taq I бэнд II, 313 пн K1K2/Taq I бэнд III, 275 пн TabCD/ Taq I бэнд I, 464 пн TabCD/TaqI бэнд II, 221 пн
A 2 0 3 1 0 1 2
F 2 0 3 1 0 0 2
G 2 0 3 1 0 0 1
Примечание. Нумерация рестриктных фрагментов соответствует убыванию их молекулярной массы; "0" означает отсутствие рестриктного фрагмента на геле в ожидаемой позиции.
гельск, Выборг); 2) "юго-западной" (Псков, Новгород, Калининград, Гомель, Мизунь); 3) "восточной" (Сыктывкар, Кирс, Нижний Новгород, Пенза). Все популяции произрастают под пологом древостоев географически замещающих сосняков бруснично-вересково-зеленомошных, за исключением мурманской, расположенной в редколесье Betula nana.
В каждой из ценопопуляций поздней осенью (сентябрь—октябрь) собрано по 15—40 образцов облиственных побегов вереска с отдельных отчетливо различимых особей (рамет), расположенных на расстоянии не менее 50—70 м друг от друга. Анализ хлоропластной ДНК (наследуемой у вереска по материнской линии), выделенной из тканей свежих или высушенных листьев, выполнен стандартными методами PCR—RFLP [21]. Всего в 15 выборках Calluna vulgaris проанализировано 362 особи. Из четырех проанализированных маркеров хлоропластной ДНК CS/AluI, FV/HaeIII, K1K2/TaqI и TabCD/TaqI, изменчивых в европейских популяциях C. vulgaris [21], полиморфизм выявлен нами лишь в одном из них — TabCD/ Taq I (табл. 1). По сочетанию его аллелей во всех изучавшихся популяциях определена встречаемость трех полиморфных хлоропластных гаплотипов A, F и G из 12, выявленных ранее в 23 популяциях C. vulgaris в Западной и Центральной Европе [21]. С помощью метода AMOVA [27, программа Arlequin 3.5.1.2] выполнен иерархический анализ изменчивости хпДНК между притоболь-ской и тремя восточно-европейскими группами популяций, а также между ними в группах и "тотальной" — между всеми изучавшимися выборками. Параметры хпДНК вычислены с учетом родства гаплотипов (N-статистики), а также без учета их родства (G-статистики). Генетические дистанции между группами популяций определены по частоте встречаемости гаплотипов и по числу мутаций (инсерции и точковой замены) в них с помощью метода AMOVA на основе параметра NST [27].
Аллозимный анализ тканей листьев 30—40 особей вереска в каждой популяции, которые были использованы для хпДНК-анализа, проведен на основе общепринятых методов [28] по семи полиморфным белковым локусам (GOT-1, GOT-2, PGI-1, IGH-1, ADH-1, NADH-1, DIA-1) шести
ферментных систем. Генетические дистанции (DN78) определены по М. Неи [29].
Морфологические и анатомические параметры листьев вереска изучены у 10—40 особей в популяции. У каждой из них измерены длина и толщина пяти листьев, отобранных из средней части каждого из трех терминальных годичных побегов. Дискриминантный анализ и ординация структуры трех европейских (Лондон, Гомель, Пенза) и притобольской (Заводоуспенское) популяций выполнены по 11 количественным признакам (толщина, длина и удлиненность листа, клеток хлоренхимы и эпидермы, плотность размещения устьиц и трихом).
РЕЗУЛЬТАТЫ
Генетическая дифференциация
В итоге анализа частот хлоропластных гаплотипов в сравниваемых филогеографических группах популяций C. vulgaris выявлены (рис. 1) гено-географические различия их распространения, а именно: сочетание (в большинстве случаев) двух характерных для Центральной Европы гаплотипов A и G в восточно-европейских группах выборок и лишь один характерный гаплотип F во всех трех выборках притобольской группы. Этот гаплотип ранее был найден в Швеции [21] и нами (с частотой всего 4.3%) на юго-востоке Прибалтики (Калининград) (рис. 1). Столь контрастное соотношение гаплотипов между восточно-европейскими и зауральскими популяциями вереска свидетельствует о кардинальных различиях и, вероятно, о существовании некоторой границы в структуре их генофонда. Гаплотип F, маркирующий эту границу, может быть назван "дифференциальным" [26].
Параметры внутрипопуляционной изменчивости хпДНК в сравниваемых притобольской и трех восточно-европейских группах популяций вереска обыкновенного — число гаплотипов (No — соответственно 1 и 2—3), эффективное число гаплотипов (Ne = 1.00 и 1.21—1.28) и внутрипопуля-ционная изменчивость (H = 0.00 и 0.11—0.18) — также резко различны (табл. 2).
Таблица 2. Средние параметры внутрипопуляционной изменчивости хпДНК C. vulgaris
Популяция N H Ne
Северо-западная группа, No = 2
Выборг 20 0.10 1.11
Архангельск 25 0.42 1.72
Мурманск 15 0 1.00
Среднее 20.0 0.17 1.28
Юго-западная группа, No = 3
Мизунь 23 0 1.00
Гомель 23 0 1.00
Калининград 23 0.42 1.72
Псков 40 0.22 1.28
Новгородская область 23 0.24 1.32
Среднее 26.4 0.18 1.26
Восточная группа, No = 2
Сыктывкар 22 0 1.00
Кирс 40 0.45 1.82
Нижний Новгород 24 0 1.00
Пенза 23 0 1.00
Среднее 27.3 0.11 1.21
Притобольская группа, No = 1
Заводоуспенское 23 0 1.00
Курган 20 0 1.00
Тавда 18 0 1.00
Среднее 20.3 0 1.00
Примечание. N — число особей в
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.